双相滞(DPL)非傅里叶导热模型能够反映脉冲激光与生物组织瞬态作用过程,但在很多运用DPL模型对生物组织传热机制进行研究的文献中,既有应用傅里叶边界条件也有应用非傅里叶边界条件,得出的很多传热机制结论是相互矛盾的。运用DPL非傅里叶模型控制方程,导出了非傅里叶和傅里叶边界条件,并利用积分变换及拉普拉斯变换法,分别给出了非傅里叶和傅里叶边界条件问题的解析解。以皮肤生物组织作为算例,计算结果表明,在非傅里叶控制方程条件下,基于非傅里叶边界条件预测的组织内的温度分布符合能量守恒定律,而基于傅里叶边界条件预测的组织内的温度分布则不符合能量守恒定律。非傅里叶边界条件下所得的温升幅值和温度的变化速率与傅里叶边界条件下所得的结论相反。采用傅里叶边界条件,对应的热损伤明显低于非傅里叶边界条件热损伤且过于保守。最后从能量守恒角度指出, DPL非傅里叶边界条件就是边界的DPL型能量守恒方程,傅里叶边界条件是傅里叶模型的能量守恒方程。傅里叶生物传热控制方程应与傅里叶型边界条件相配合,而DPL非傅里叶生物传热方程应与非傅里叶边界条件相配合。

利用有泵浦增益时的谐振腔衍射积分方程, 研究了二极管泵浦固体激光器中泵浦光对振荡光场的影响, 分析了泵浦光分布和泵浦光半径对振荡光场的影响。结果表明当泵浦光分布分别为均匀分布和高斯分布及椭圆高斯分布时, 最佳的泵浦分布为高斯分布; 对于高斯光束泵浦, 泵浦半径的变化会引起振荡光场的尺寸和形态的变化。定量分析结果表明泵浦半径在一定范围内变化时, 振荡光斑半径均随泵浦光半径的增大而减小。在实际的DPL设计中需要根据对振荡光的要求进行泵浦光的优化设计。

基于激光脉冲在增益介质中的放大过程建立了三维放大模拟计算模型,该模型将自由空间传输与光线追迹放大相结合。在增益介质内抽运储能分布具有三维特点、离轴多程放大结构等复杂情况下,该模型能真实模拟放大后输出光束的近场分布。利用该三维放大模型针对一个12程激光二极管抽运钕玻璃放大系统进行模拟计算,计算结果准确地反映了输出光束近场分布。在此模拟结果的基础上能进一步优化多程放大光路。

大功率DPL泵浦源LD的热管理技术是制约二极管泵浦固体激光器工程应用的瓶颈之一.介绍了二极管泵浦固体激光器的工作过程,设计通过半导体制冷片对LD实施温度控制.主要针对DPL的高温应用环境,对泵浦源LD的散热通道进行分析和计算,设计了可以在高温环境下正常工作的DPL工程样机.该样机主要性能指标:输出峰值功率大于100 kW,激光脉宽为5 as,重频10 kHz.对该样机进行高低温环境试验,获得试验数据并得出结论:在高温50℃情况下,LD可以连续稳定工作30 min以上.

采用有限元法,以光纤耦合LD端面泵浦Nd:YAG激光器为例,模拟了三种冷却方式下,激光晶体的温度分布;分析了不同冷却方式对晶体温度分布和端面形变的影响;计算了不同对流换热系数和冷却水温度对晶体温度的影响.结果表明:在晶体侧面水冷时,改变对流换热系数和液体温度只能改变晶体的整体温度,对温度分布的均匀性几乎没有影响;三种冷却方式中,泵浦端水冷情况下晶体温度最低,端面形变量最小.

激光二极管(LD)中心波长及LD功率影响着LD泵浦的固体激光器输出特性,通过理论和实验研究了LD的工作温度变化对LD中心波长及LD功率的影响,分析了LD温度控制系统的温控精度,给出了理论上确定温控精度的一般方法.实验结果验证了此方法的有效性,并且给出了以4 nm谱宽LD泵浦Nd:YAG时的温控精度数据.通过适当选择LD温控精度和较宽的LD谱宽,可大大降低温控系统设计的难度,有效提高DPL的环境适应能力.

为便于评价两种光场空间分布之间的偏离程度，引入一个数学参数δ进行研究。将该参数应用到谐振腔内分析了抽运光空间分布对基模振荡光光束质量的影响。这种影响主要表现为：若抽运光在激光介质中引起非均匀的增益分布，基模振荡光将偏离高斯分布。利用δ参数对这种影响的程度进行了定量估算。定量研究表明：δ参数可以直观地反映泵浦光分布对激光器光束质量的影响程度，而且在激光器的设计中δ参数的大小可衡量泵浦光分布的优劣。对于端面泵浦二极管泵浦固体激光器(DPL)，稳恒运转下最理想的抽运光分布形式是高斯型抽运光，其半径等于谐振腔的基模高斯振荡光半径。

为了改善Cr4+:YAG被动调Q激光器的输出稳定性,采用了定向棱镜谐振腔,通过实验得到了以下结果:单脉冲能量稳定度由7.3%提高到2.2%,脉宽稳定度由13.5%提高到6.5%,频率精度由0.01%提高到0.005%,输出脉冲波形稳定光滑.研究表明,采用定向棱镜谐振腔技术的Cr4+:YAG被动调Q激光器的输出稳定性较原平-平腔激光器得到了显著改善.另外还报道了定向棱镜谐振腔技术消除Cr4+:YAG被动调Q激光器子脉冲的现象.

采用热透镜焦距的理论计算与实验测量相比较的研究方法,得到一种端泵固体激光器出激光时的在线测量方法.通过建立热透镜等效腔模型以及腔型分析求解得出腔内光束束腰半径,用刀口法测出DPL腔外的远场发散角,根据发散角与透镜变换前后的束腰关系,得出LD端面泵浦Nd∶YAG激光器中的热透镜焦距.结果表明,通过上述方法所得结果与理论计算的热透镜焦距吻合,证实此方法准确、可行.

研究了端面泵浦Nd:YAG晶体热透镜效应,提出了一种新的测量热透镜的方法-干涉条纹法,并通过理论估算与用此方法所测的热透镜焦距相比较,表明此方法所测热透镜焦距随着泵浦光功率的增大二者越来越吻合,验证了该方法的可靠性.该方法解决了端泵Nd:YAG时,由温度梯度,热应力双折射和端面形变所引起的总的热透镜焦距难以测量的问题.